金屬如何“耐寒”

湘州

不久前通車運營的哈大高鐵，是世界上第一條穿越高寒地區的高速鐵路，沿線冬季極端最低溫度-40℃左右。在這樣的低溫環境下，高鐵要安全運行，金屬材料的“耐寒”性能是首先要解決的問題。

金屬的“冷脆”現象

100多年前，英國斯科特探險隊遠赴南極考察，因裝液體燃料容器的錫焊縫突然莫名其妙地“化開”，導致燃料流失，最后造成探險隊全軍覆沒的悲劇。1938年3月，一股寒流席卷比利時，氣溫下降至-20℃，剛建成不久的哈爾什特鋼橋突然斷為3截，墜入河中。1943年2月，美國紐約附近一個直徑12米的大型儲氣罐突然爆炸，當時氣溫是-12℃。1954年寒冬，正在愛爾蘭海航行的英國油輪“世界協和號”突然從中部斷開，隨后沉沒。

這一連串與寒冷有關的金屬材料事故，引起人們極大的震驚，沉痛的教訓促使人們去探索金屬性能從常溫到低溫變化的奧秘。

隨著現代科學技術不斷向“深冷王國”進軍，形成了一些低溫工作狀態下的科學技術。例如，石油化工、航天、低溫超導等技術需要許多液氧、液氫、液氮等做燃料或冷卻劑，制造、貯存、運輸這些超低溫液化氣體也需要大量耐低溫的金屬容器。此外，液體燃料火箭技術、冷凍工業以及低溫物理、低溫醫學等等，都需要金屬在很低溫度，甚至接近絕對零度（-273.16℃）環境下工作。

研究證明，金屬在低溫下的性能與常溫下的表現是不同的。在超低溫狀態下，敲打沉甸甸的鉛條，會發出銅鈴般的響聲；水銀凍得堅如鋼鐵；低碳鋼的強度成倍提高……幾乎所有的金屬在超低溫度下，強度都比它們在室溫時要高出很多。

但是，金屬的“硬”和“脆”總是形影不離，在低溫下金屬的強度和硬度固然提高，可是韌性卻大大降低了，也就是說，金屬變“脆”了。人們把金屬隨著溫度的降低韌性和塑性減小的現象稱為“冷脆”。金屬的冷脆斷裂與常溫下的脆性破壞狀態基本相同，它往往在無明顯的塑性變形時突然發生，斷口平滑光亮，裂紋一般起源于金屬組織中的缺陷或應力集中處，以很快的速度傳播。它一旦發生，頃刻之間便會使整個結構崩潰。

金屬為什么不“耐寒”

金屬在低溫下為什么會發生冷脆破壞？科學家研究發現，這同金屬內部的晶體結構有密切關系。我們知道，金屬和合金是由無數小晶體組成的，晶體又由原子按一定方式排列堆積而成。金屬原子的堆積都遵循著某種特定的形式，有規律地重復排列。如果用一些假想線把它們連接起來，就成了一個個結晶格子，簡稱晶格。

金屬晶格通常有三種類型。體心立方晶格：立方體的8個頂角和中心各有一個原子，例如鎢、鉬、鈉以及室溫下的鐵具有這種晶格。面心立方晶格：立方體的8個頂角和6個面的中心各有一個原子，銅、銀、金、鋁以及高溫下的鐵都屬于這種組織。密排六方晶格：六棱體的12個頂角各有一個原子，中心平面3個原子，鋅、鎂、鈦均屬這一類型。

在低溫下發生冷脆現象的主要是體心立方晶格的金屬，其次是密排六方晶格的金屬。它們隨著溫度的降低，強度指標（如屈服極限、強度極限）增加，塑性和韌性指標（如沖擊韌性、延伸率）下降，顯現脆的性質。與此相反，面心立方晶格的金屬不會發生冷脆破壞，溫度降低，強度指標有些增加，韌性和塑性指標不變或稍有提高。

為什么不同晶格的金屬會出現兩種迥然不同的低溫性能呢？這是由于不同晶格的原子數目和分布狀態不同，晶面與晶面之間所顯現的滑移阻力也有很大差異。面心晶格由于晶面原子比較多，原子滑移時遇到的阻力小，所以容易變形，因而韌性好。而體心立方晶格和密排六方晶格的情況正好相反，它們晶面的原子少，排列稀疏，滑移阻力比較大，金屬變形困難，因而表現脆的性質。

除了微觀晶體結構外，影響金屬冷脆性的因素還有很多，可以分為外部因素和內部因素。外部因素包括工作溫度、應力狀態、載荷速度、工作介質等；內部因素有合金種類、成分、晶粒度和組織缺陷等等。

如何讓金屬材料安全“過冬”

對金屬低溫性能的基本要求是：具有足夠的強度和充分的韌性，同時還要求具有良好的工藝性能和耐蝕性。其中低溫韌性，即低溫下防止脆性破壞發生和阻止裂紋擴展的能力，是重要的性能指標。這項指標數值是在低溫沖擊試驗機上測試得出的。

通過對冷脆金屬在不同溫度下的試驗可以發現，溫度越低，冷脆現象也愈嚴重。但是，這種變化卻要達到某一溫度才會明顯加劇。無疑，這一“臨界脆性轉變溫度”就成了研究和選擇低溫材料的依據。例如，為了保證冬季船舶在高緯度海洋航行安全，遠洋輪的最低工作溫度必須高于材料的臨界脆性轉變溫度，這樣才可以避免冷脆破壞。

目前，低溫用金屬材料按化學成分不同，可以分為低合金鋼、鎳鋼、鋁合金和鈦合金等。在-253℃的超低溫環境下應用最多的是奧氏體不銹鋼。低合金鋼一般在-100℃左右的溫區內使用，用于制造冷凍設備、運輸設備、乙烯貯罐、天然氣裝置等。

鈦合金是較理想的深度低溫材料。它有3大優點：一是強度（材料強度和比重的比值）高，在所有金屬中首屈一指；二是強度隨溫度的降低而提高，而且能保持足夠的韌性；三是在低溫下對缺口的敏感性小，也就是說，不容易在有缺口的地方出現裂紋。另外，鈦合金的導熱性能差，膨脹系數小，適用于火箭、導彈的燃料貯箱中的高壓容器和管道等低溫構件。但是，鈦容易被氧化，它和液態氧接觸會發生反應引起燃燒、爆炸，所以鈦不宜用來制造貯存氧的容器。

鋁合金適宜做低溫設備中的結構件，如低溫壓縮機的活塞，深冷設備的容器、管道，以及中等強度的結構件和緊固件等。在高寒地區運行的哈大高鐵動車車體，最后選定用鋁合金材料制造，是因為鋁合金的低溫工作性能好，對溫度不敏感。